电子鼻对荔枝成熟过程中理化参数的表征

徐 赛，陆华忠，周志艳，吕恩利，杨 径（南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，华南农业大学工程学院，广东广州510642）

电子鼻对荔枝成熟过程中理化参数的表征

徐 赛，陆华忠，周志艳，吕恩利*，杨 径
（南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，华南农业大学工程学院，广东广州510642）

探究了采用电子鼻表征荔枝成熟过程中理化参数变化的可行性。在分别获取不同成熟阶段果园荔枝的电子鼻响应参数和理化特征参数后，对荔枝成熟阶段与电子鼻响应数据之间的关系、荔枝成熟阶段与理化参数之间的关系以及电子鼻响应数据与理化特征之间的关系进行了分析。实验结果表明，随着荔枝不断成熟，电子鼻响应特征逐渐增大。荔枝理化特征在成熟阶段s5之前均呈上升的趋势，s5到s6阶段除L*值与b*值略有减小外，其余理化指标均有所增加且部分理化指标变化在成熟过程中存在一定的线性关系。采用电子鼻传感器响应值建立理化特征表征模型能够较好地对各项理化指标进行表征，R2均大于0.9。实验验证了采用电子鼻表征荔枝成熟过程中理化参数变化的可行性，为今后机器识别方法在果园果实成熟度监测以及水果品质检测的应用提供参考。

荔枝，成熟阶段，电子鼻，理化参数，表征

荔枝营养丰富，食味鲜美，深受广大人民群众的喜爱。研究表明［1］：不同品种荔枝适合采摘的成熟度均有所差异，在适宜的成熟度对荔枝果实进行采摘，有助于采摘到最佳品质的荔枝以及提高荔枝采后的耐贮运能力。因此，加强荔枝成熟过程的监测可为果园荔枝采摘提供科学指导，具有重要意义。

在荔枝成熟过程中，其大小、颜色、形状以及营养物质的成分与含量均会发生一定变化，这为理化参数检测法在荔枝果实成熟度实时监测上的应用提供了理论依据。理化参数检测法［2］是目前使用的食品

品质检测的主要方法，是一种直观有效的检测方法，在水果成熟度的检测方面也有一定的研究，如：石榴［3］、葡萄［4］、枣［5］、苹果［6］等。但理化参数检测法费时费力，对检测人员的要求较高，不能满足实际检测的需要。

电子鼻［7］是一种模拟生物嗅觉的智能识别手段，通过数个对不同气味敏感的气敏传感器组成传感器阵列，使得整个电子鼻系统能够检测与识别不同的气味。电子鼻操作简单、检测速度较快，相对理化指标检测法大大节约了劳动成本与检测时间，具有广泛的应用前景。而今，电子鼻在水果成熟度的检测上已有一定研究［8-10］，但电子鼻能否取代人工理化指标检测法对荔枝各成熟阶段的品质状况进行准确评价，值得深入研究。

本研究探究了采用电子鼻采样数据表征荔枝成熟过程的可行性，可弥补理化指标人工采样法存在的缺陷，并为果园水果生长信息实时监测提供一种新方法。分别获取荔枝不同成熟阶段的电子鼻数据与理化参数后，分析了成熟阶段与电子鼻响应数据之间的关系、荔枝成熟阶段与理化参数之间的关系以及电子鼻响应数据与理化特征之间的关系。研究结果可为今后电子鼻取代人工理化指标检测法在果园品质信息监测上的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

“水林”荔枝 于华南农业大学校内荔枝园取果后，立即送回实验室进行检测。

PEN3型电子鼻 德国AirSense公司；CR-400型全自动色差仪 日本美能达公司；PR-32α型数字式折射计 日本爱拓中国分公司；MNT-150型游标卡尺 德国美耐特公司；JY600型电子天平 中国上海浦春计量仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样本的处理 待果树挂果约25 d，于2015年4 月25日（s1）、5月2日（s2）、5月9日（s3）、5月16日（s4）、5月23日（s5）、5月30日（s6）对荔枝果实参数进行采样。由于成熟阶段s1至s2期间荔枝果肉并未达到可溶性固形物（TSS）测量的要求，TSS检测于s3开始，与其他参数同步测量。其中每7 d取样一次，共采样6次。每次摘取荔枝果实20颗，随机选择10颗进行电子鼻采样，剩余10颗用于理化参数采样，取平均值做为荔枝在该成熟阶段的采样值。

1.2.2 电子鼻采样 实验采用PEN3电子鼻进行荔枝气体挥发物采样，该电子鼻主要由采样及清洗通道、传感器阵列以及模式识别子系统构成。传感器整列包含10个气敏传感器，不同传感器对不同类别的气体挥发物敏感，各传感器的性能如表1所示。电子鼻采样前，每个荔枝样本均放置于200 mL烧杯中，用双层塑料膜密封，静置1 h待杯中气体挥发物平衡后进行顶空气体采样。电子鼻采样参数设置为：采样时间间隔为1 s，传感器自动清洗时间为70 s，传感器归零时间为10 s，分析采样时间为80 s，进样准备时间为5 s，进样流量为300 mL/min。

1.2.3 色差值采样 采用全自动色差仪获取荔枝果实的色差值，包括L*值、a*值和b*值。其中L*值越大则果皮越亮，反之越暗，a*值越大则果皮越红，反之越绿，b*值越大则果皮越黄，反之越蓝。在荔枝果实的赤道两面各测1次色差，每个样本重复检测3次。

表1 电子鼻传感器的性能Table1 Feature of electronic nose’s sensors

1.2.4 可溶性固形物采样（TSS） 实验采用数字式折射计（可溶性固形物质量分数测量范围0%～32%，最小刻度0.1%）进行可溶性固形物检测。剥除荔枝果皮后对果肉进行挤压取汁，搅拌均匀后进行检测，每次测量重复3次。

1.2.5 其他物理参数采样 实验对荔枝成熟过程中其他物理参数进行了采样，包括果实大小、果核大小、果实净重。其中果实大小与果核大小采用游标卡尺分别测量荔枝果实与果核赤道位置的最大直径，果实净重采用精度为0.01的电子天平获取。每个荔枝样本参数均重复测量3次。

1.2.6 电子鼻特征值的提取 电子鼻对荔枝果实气体挥发物采样如图1所示。采样前，电子鼻各传感器的响应值均为1。随着荔枝气体挥发物在气敏传感器阵列上富集，各传感器响应值逐渐上升，在38 s左右达到最大值，随后略有下降，在60 s之后基本稳定。本研究选取各传感器处于稳定状态的响应值作为电子鼻的特征值，即选取75 s时刻的传感器响应值。

图1 电子鼻对荔枝气体挥发物的响应Fig.1 Response of electronic nose for litchi volatile

2 结果与讨论

2.1 荔枝成熟阶段与电子鼻响应参数的关系

为探究电子鼻响应参数与荔枝成熟阶段之间的

关系，实验采用每次采样10个荔枝样本特征值的平均值作为该成熟阶段荔枝的电子鼻响应参数。电子鼻响应特征在成熟过程中的变化如图2所示。由图2可知，随着荔枝不断成熟，电子鼻响应值逐渐增大，其中R7的变化趋势最为明显。在s1~s5阶段，电子鼻响应特征变化不大，但随着荔枝的进一步成熟，电子鼻响应特征值在s6阶段迅速上升。

图2 电子鼻随成熟阶段响应特征雷达图Fig.2 Radar plot of electronic nose response in mature stages

2.2 荔枝成熟阶段与理化特征参数的关系

2.2.1 荔枝成熟阶段与色差值的关系 图3为荔枝果皮色差L*值、a*值和b*值随成熟阶段的变化关系图。成熟阶段s1到s5，随着荔枝的不断成熟，荔枝的果皮色差L*、a*、b*值均逐渐增大，但变化不大。随着荔枝进一步成熟，s6阶段荔枝果皮色差a*值迅速上升，L*与b*值略有下降。a*值的变化过程与荔枝成熟后果皮逐渐变红的情况相一致。L*值与b*值的变化趋势说明荔枝在成熟过程中，果皮亮度先增大再减小，果皮颜色在变红之前先略有变黄。

2.2.2 荔枝成熟阶段与果实重量的关系 图4为荔枝成熟阶段与果实净重的变化关系图。随着荔枝的不断成熟，荔枝果实的重量不断增大。按照荔枝成熟过程中果实重量的增加速率可分为三个阶段。s1到s2的重量增加速率较小，s2到s5的重量增加速率有所增加，s5到s6重量增加速率最大。

图4 荔枝成熟阶段与果实重量的关系Fig.4 Relationship between mature stages with net weight of litchi

图5 荔枝成熟阶段与果实大小的关系Fig.5 Relationship between mature stages with fruit size of litchi

2.2.3 荔枝成熟阶段与果实大小的关系 图5为荔枝成熟阶段与果实大小的变化关系图。随着荔枝不断成熟，荔枝果实的大小不断增加。s1到s3以及s5到s6，荔枝果实大小增加速率较快，s3到s5阶段荔枝果实增加速率较小。

2.2.4 荔枝成熟阶段与果核大小的关系 图6为荔枝成熟阶段与果核大小的变化关系图。随着荔枝不断成熟，荔枝果核大小在s1到s3迅速增大，s3之后，果核大小略有增加，但变化不明显。

图6 荔枝成熟阶段与果核大小的关系Fig.6 Relationship between mature stages with fruit kernel of litchi

2.2.5 荔枝成熟阶段与可溶性固形物的关系 图7为荔枝成熟阶段与TSS的变化关系图。成熟阶段s1到s2，荔枝果肉尚未形成，无法进行TSS检测。荔枝在成熟阶段s3到s4之间TSS含量逐渐上升。随着荔枝进一步成熟，在s4到s5期间，荔枝TSS含量增加速率加快。s5后，荔枝TSS含量略有增加，但变化不明显，此时果

实已经成熟。

图7 荔枝成熟阶段与可溶性固形物的关系Fig.7 Relationship between mature stages with TSS of litchi

2.3 荔枝电子鼻特征参数对理化特征参数的表征关系式

2.3.1 荔枝电子鼻各传感器对理化特征参数的表征为探究电子鼻表征荔枝成熟过程中理化参数的可行性，实验分别以电子鼻各传感器响应特征值为输入值x，荔枝理化特征参数为输出值y，建立曲线回归关系模型，选择决定系数R2较大的模型做为该电子鼻传感器与理化特征的表征模型（R2越接近1，说明该模型的表征效果越好）。所建模型以及相应的R2如表2所示。

表2 荔枝成熟过程中各传感器参数与理化参数关系式Table2 Relational expression of single sensor indexe and physicochemical indexes during litchi’s mature period

除果实大小与果核大小外，各项理化指标均能被电子鼻某一传感器响应特征参数较好的表征，且该表征式的决定系数R2均大于0.9。荔枝成熟过程中，L*值能够被传感器R7较好的表征，R2为0.96。电子鼻各传感器（R1～R10）在表征a*值时均取得了很好的表征效果，其中R7的表征效果最好，R2为0.9999。在表征b*值和果实重量时，电子鼻传感器R7均取得了较好的表征效果，R2为分别为0.93和0.9。传感器R1、R2、R7和R9在表征荔枝成熟过程中TSS变化时均取得了较好的效果，其中R7的表征效果最好，R2为0.9962。因此，在今后的荔枝成熟过程理化指标监测过程中，可用传感器R7的响应特征对荔枝L*值、a*值、b*值、果实重量、TSS含量进行预测，有效的节约监测时间与检测成本。

2.3.2 荔枝电子鼻多传感器对理化特征参数的表征由于电子鼻单一传感器无法对荔枝成熟阶段果实大小和果核大小变化进行表征，为进一步探究电子鼻表征荔枝成熟过程中理化参数变化的可行性。实验采用多元回归模型对荔枝果实大小和果核大小参数进行表征，即以电子鼻中数个传感器的响应特征参数为输入xi（i为传感器编号），荔枝果实大小yf和果核大小yk为输出，建立表征关系式。

为简化表征模型，实验参考各传感器对荔枝成熟过程中果实大小和果核大小表征结果，分别选择前4个表征效果较好的传感器作为多元回归模型的输入。因此，以传感器R1、R3、R7和R10作为输入，建立的果实大小表征模型为yf=567.83xR1-294.66xR3+10.8xR7+21.19xR10-272.05，表征式的决定系数R2为0.96，具有较好的表征效果。以传感器R1、R2、R3和R7作为输入，建立的果核大小表征模型为yk=5452.51xR1-28.26xR2-400.38xR3+12.66xR7-11.74，表征式的决定系数R2为0.99，具有较好的表征效果。

3 结论

本实验探究了采用电子鼻表征荔枝成熟过程中理化参数变化的可行性，分别对荔枝成熟阶段与电子鼻响应数据之间的关系、荔枝成熟阶段与理化参数之间的关系以及电子鼻响应数据与理化特征之间的关系进行了分析。实验结果表明，随着荔枝的不断成熟，电子鼻各传感器响应参数逐渐增大，其中传感器R7变化趋势最为明显。在荔枝成熟各成熟阶段，各项理化指标均呈现一定的变化趋势，部分理化指标在成熟过程中存在一定的线性关系，可为下一阶段水果品质研究提供参考。荔枝L*值、a*值、b*值、果实重量、TSS含量均可用单一传感器R7进行表征，R2均大于0.9。采用多传感器分别建立果实大小和果核大小的多元回归模型，具有较好的表征效果，R2均大于0.95。实验验证了电子鼻表征荔枝成熟过程中理化参数的可行性，可为电子鼻取代人工理化指标检测法在果园品质信息监测上的应用提供参考。

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Electronic nose for physicochemical indexes characterization during litchi's mature period

XU Sai，LU Hua-zhong，ZHOU Zhi-yan，LV En-li*，YANG Jing
（Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment，Ministry of Education，College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

This paper explored the feasibility of using electronic nose express the physicochemical indexes during litchi's mature period.After acquired litchi's electronic nose response feature and physicochemical indexes，then the relationship between litchi mature stage and electronic nose response feature，relationship between litchi mature stage and physicochemical indexes，relationship between litchi electronic nose response feature and physicochemical indexes had been analyzed.The experimental results showed that with the maturing of litchi，electronic nose response feature increased gradually.The physicochemical indexes increased gradually before mature stage s5.except L*value and b*value had light decrease，during s5 to s6，other physicochemical indexes were all increased.There were linear relationships between part physicochemical indexes.Using electronic nose sampling value built up the characterization model for physicochemical index representation，their R2were all bigger than 0.9，which had good characterization effect.The experiment proved the feasibility of using electronic nose express the physicochemical indexes during litchi's mature period.The experimental results provide reference for using machine recognition methods for mature stage monitoring in orchard and fruit quality detection.

litchi；mature period；electronic nose；physicochemical indexes；characterization

TS207

A

1002-0306（2016）08-0100-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.08.012

2015－10－08

徐赛（1991-），男，博士研究生，主要从事农产品冷链物流技术与装备方面的研究，E-mail：204504658@qq.com。

*通讯作者：吕恩利（1979-），男，副教授，主要从事农产品冷链物流技术与装备方面的研究，E-mail：txzzlu@sina.cn。

基金项目国家自然科学基金项目（31571561）；现代农业产业技术体系建设专项资金项目（CARS-33-13）。